一种低光照条件下的微藻培养方法技术

本发明专利技术涉及一种微藻培养技术，具体来说是在微藻自养培养过程中，以叶绿素荧光动力学参数Fv/Fm为判定标准，以低通气量下微藻Fv/Fm下降0-10％为阈值，确定最低夜间氧气通入量，以此降低微藻夜间呼吸作用所产生的生物量损失，促进微藻生物质的积累。通气量的降低，一方面降低了通气的能耗，另一方面提高了生物质积累的效率。

【技术实现步骤摘要】

: 本专利技术属于一种微藻高效繁殖技术。
技术介绍
: 藻归类为自养型微生物，因其细胞内存在光合作用系统PSII也称为微藻植物。微藻具有高效吸收太阳能、固定CO2产生生物质的能力(即光合作用能力)；同时微藻作为微生物的一种，其增殖速度较快(倍增时间约3-5天、最快8小时)。作为单细胞生物，微藻的主要组成为蛋白、脂肪、碳水化合物和核酸等。微藻油脂含量因藻种而异，一般为20-30%，最高可达60-70%。微藻作为一种固定温室气体CO2生产生物油脂提供生物柴油的原料，已日益受到科技界和工业界的广泛重视。 微藻作为光合生物有机体具有生物量大、生长周期短、易培养以及含有较高的脂类等特点，是CO2减排、制备生物柴油和小分子烃的重要可再生资源。利用微藻制备生物燃料具有四个特点: (I)太阳能利用效率高、个体小为单细胞或丝状体，直径小于1_。在光反应器中可以进行高密度、高速率培养。在同样条件下，微藻细胞生长倍增时间通常在24h内，对数生长期内细胞物质倍增时间可缩短至3.5h。 (2)微藻的油脂含量丰富，某些藻类如葡萄藻的油脂含量可达干重的80% ； (3)微藻在水中生长，培养面积小，与传统油料作物相比占地面积很小并可不占用农业用地，因此藻类生物能源生产不与农作物生产争耕地和与人争粮。 (4)微藻可利用温室气体二氧化碳生产生物能源，有利于生态环境保护，促进人与自然和谐社会的建设。矿物质能源消费过程中排放大量的温室气体CO2，有毒气体NO5^P SOx等。我国目前CO2的排放总量仅次于美国，位居世界第二位，随着中国正式加入《京都议定书》，CO2减排的压力将越来越大。面对解决我国矿物质能源大量消费导致生态环境破坏的重大需求，微藻可固定大量的CO2,同时生产过程污染少。 微藻的上述应用，其核心就是高效的光合固碳。通过分析自然光照(或模拟自然光照周期变化)的培养过程中，在无光照时，微藻需要通过呼吸作用提供生存和生长所需要的能量，这是一个消耗生物质同时净释放CO2的过程。如在14:10的光暗循环微藻自养培养过程中，无光阶段15-20%甚至更多的生物质由于呼吸作用的消耗而损失。因此，微藻培养光合固碳效率的提高，除了在光照阶段需要改善，还需要优化无光阶段的培养条件，使得整体效率最高。 微藻培养过程中，为了提高传质效率，大多通过通入空气进行混合，在气升式和鼓泡式反应器中，空气还是整体循环的动力来源。空气的通入也为系统引入了氧气，并且大多是过量的氧气，促进了呼吸作用的发生。如果不通入氧气，在无光培养阶段，细胞由于缺乏混合动力沉降、暗发酵积累了大量有害代谢物和缺乏有效的生理准备导致光照初期的生长停滞增加，将会对光照阶段生物量的积累产生负面影响甚至培养失败。 因此，如果可能有效的在无光照阶段减少氧气的通入，并且对细胞生存、生长无明显负面影响，就有可能降低因呼吸作用而产生的生物质损耗和CO2的释放。不过，由于培养系统中微藻生物量、营养供给等条件的动态变化，如果没有一个可靠的指标，很难确定“无负面影响”的最低氧气通入量。 微藻作为光合自养生物，同植物一样，其光合系统的生理参数——叶绿素荧光动力学参数Fv/Fm是细胞正常与否指标，可以通过该值的变化判断微藻细胞是否处于胁迫状态以及胁迫的程度[参考文献:YAO C H, Al J N，CAO X P, et al.Enhancing starchproduct1n of a marine green microalga Tetraselmis subcordiformis throughnutrient limitat1n.B1resource Technology，2012，118:438-444.]。 基于上述分析，本专利技术首次提出以微藻细胞光合系统叶绿素荧光参数Fv/Fm为指示，通过降低无光照阶段氧气的通入量，控制呼吸作用处于低水平，而实现生物量消耗与CO2释放的降低，提高整体培养过程的光能利用效率。同时，通气量的降低也将降低微藻自养培养过程的能耗。
技术实现思路
1、在正常光暗循环的微藻自养培养过程中(如绿藻、金藻、硅藻和螺旋藻)，包括自然光照或人工光照条件下，以叶绿素荧光仪对微藻光合系统II的荧光动力学参数Fv/Fm进行监测，调节无光照阶段的氧气通入量。根据不同培养工艺，通入气体指的是空气，或者氧气体积含量为21 %的氮气、氧气混合气。使用空气，降低氧气通入量可以直接通过降低向培养体系通入空气的量实现；使用氮氧混合气，降低氧气通入量可以通过降低向培养体系通入混合气的量或者降低混合气中氧气的比例实现。 2、针对不同微藻，以光照条件下的？/?111为基准，以5-10%为阈值，即当降低通氧量后藻细胞的Fv/Fm较正常通气情况下降5-10%为标准，确定所需的最低氧气通入量。 本专利技术具有如下优点: (I)以叶绿素荧光动力学参数Fv/Fm为指标，对调控参数进行有效可靠的确定和优化； (2)通过降低无光照阶段通气(氧)量，部分抑制微藻呼吸作用，减少了因呼吸导致的生物量损失和额外的CO2释放； (3)在提高生物量生产效率的同时，降低了无光照阶段通气的能耗。 【附图说明】 图1、典型的光暗变化培养条件下，微藻生物质的变化规律。 专利技术原理: 叶绿素荧光动力学参数Fv/Fm是表征光合系统II的本征能力的一个参数，能够用来描述微藻细胞所受胁迫的程度。降低氧浓度，将不利于微藻细胞的有氧呼吸，会对藻细胞产生一定的胁迫；为了获得更高的生产效率，需要藻细胞能够为光照阶段生长做好准备，即在无光照阶段保持必要的生理活性，正可以利用Fv/Fm对微藻胁迫程度的表征实现二者的平衡。 实施例: 实施例1、 在标准3x F/2培养基条件下，500mL管式光生物反应器中按照14:10光暗比对湛江等鞭金藻进行培养，其中正常光照阶段通入100mL/min的含有体积比2% CO2的空气，在无光照阶段，通入同流速的空气(不额外补充CO2)。测定不同时间点时生物量(干重，毫克/毫升)，结果见图1。结果表明，在低光照阶段结束点，培养系统内总生物量相对高光照结束点的生物量下降15-20%，也就是低光照阶段的呼吸作用等导致了 15-20%生物量的损失。 实施例2、 按照实施例1所述培养条件，无光照段空气通入量分别调整为正常水平的50%(50mL/min)和20% (20mL/min)，测定无光照段开始和结束点时Fv/Fm的变化比例，相比正常水平，50%和20%组分别下降1.0%和7.5%，确定20%的通气量为最低通气量。 因此，以无光照段通气量调整为正常水平的20% (20mL/min)，测定无光照段开始和结束点时生物量的变化比例。结果表明，低通气量生物质含量0.423g/L，较对照的正常通气组的0.389g/L高约8.7%，降低了生物质的损失。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低光照条件下的微藻培养方法，其特征在于：于低光照条件下，通过降低向培养体系中通入氧气的量，在维持细胞正常生理活性前提下，抑制微藻因呼吸作用产生的生物量损失，促进微藻生物质的积累。

【技术特征摘要】
1.一种低光照条件下的微藻培养方法,其特征在于: 于低光照条件下，通过降低向培养体系中通入氧气的量，在维持细胞正常生理活性前提下，抑制微藻因呼吸作用产生的生物量损失，促进微藻生物质的积累。2.按照权利要求1所述方法，其特征在于: 所述低光照条件为微藻培养体系的输入光强小于等于10 μ MnT2S'3.按照权利要求1所述方法，其特征在于: 所述通入气体指的是空气，或者氧气体积含量为21%的氮气、氧气混合气； 使用空气，降低氧气通入量可以直接通过降低向培养体系通入空气的量实现；使用氮氧混合气，降低氧气通入量可以通...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛松，曹旭鹏，褚亚东，陆洪斌，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21